탄화수소 연료를 분해하면 탄소와 수소라는 두 가지 기본 성분을 찾을 수 있습니다. 이것은 지구상에 풍부한 두 가지 요소입니다. 사실, 수소는 우주에서 가장 풍부한 원소이며, 우리 모두는 대기에 CO2 형태의 탄소가 많이 포함되어 있다는 것을 알고 있습니다. 이는 천연자원의 감소와 시장의 불확실성에 직면하여 원자 몇 개를 서로 부딪쳐 연료를 만들 수는 없을까?라는 질문을 던집니다. 이는 명백하고 지나치게 단순화된 것이지만, 중국 과학자 그룹은 바로 그러한 일을 수행하는 기술을 연구하고 있습니다.
SARI(Shanghai Advanced Research Institute)의 과학자들은 폐 CO2를 물과 결합하여 제트 연료에 사용되는 긴 사슬 탄화수소를 만들었습니다(각 물 분자에는 두 개의 수소 원자가 포함되어 있음). 이 과정의 화학적 성질은 나중에 살펴보지만 간단히 말하면 “역 연소”라고 알려진 기술을 사용하여 CO2와 수소를 긴 탄화수소 사슬로 변환합니다. SARI 팀의 프로세스는 이러한 가스를 탄화수소로 변환하는데, 그 중 일부는 제트 연료를 구별하는 분자량 범위, 즉 C8에서 C16에 속합니다. 여기서 숫자는 사슬에 탄소 원자가 몇 개 있는지 나타냅니다.
구성 요소로부터 탄화수소 연료를 생성하는 기술의 대부분은 새로운 것이 아닙니다. 예를 들어 Fischer-Tropsch 공정은 1920년 초에 개발되었습니다. 그러나 이는 석탄, 가스 또는 바이오매스로 만들어진 합성가스에 의존합니다. 그리고 최근에는 미 해군이 공기와 물에서 제트 연료를 만들려고 시도할 때까지 참여했습니다.
중국의 대체 연료 혁신에 대해 우리가 알고 있는 것
프로세스의 전제는 단순성 그 자체입니다. 두 가지 재료를 함께 혼합하면 바로 제트 연료가 됩니다. 그러나 조리법은 잘 이해되어 있지만 “조리 과정”은 항상 구성 요소를 탄화수소로 효율적으로 변환하는 큰 장애물에 직면해 있습니다. 즉, 우리 차량은 합성 액체에 익숙하지 않습니다. 이미 우리 차량에 사용할 수 있을 만큼 인기 있는 합성유 브랜드가 많이 있습니다.
SARI 팀의 획기적인 발전은 공정에 사용된 촉매에서 비롯되었습니다. 알루미늄과 칼륨 첨가제가 결합된 철 기반 촉매를 사용하여 과학자들은 이러한 장애물을 극복할 수 있는 프로세스를 만들었습니다. 너무 기술적이지는 않지만 이 공정에서는 시간당 촉매 1g당 약 454ml의 중올레핀이 생산됩니다. 중올레핀은 장쇄 탄화수소의 한 종류입니다. 하나의 특정 촉매 “레시피”(제목은 FeAlK8)를 사용하여 이 공정은 유입되는 CO2의 거의 절반(약 49%)을 탄화수소로 전환했습니다.
또한 촉매는 상대적으로 낮은 온도(화씨 626도)와 약 290PSI의 압력에서 공정이 완료되도록 허용했습니다. 비교를 위해, 평균적인 자동차 타이어의 압력은 약 32-35 PSI로 가압되며 비슷한 연금술을 수행하는 Fischer-Tropsch 프로세스는 150-600 PSI 사이를 사용합니다. 마지막으로, 생산된 연료는 800시간의 테스트 동안 열적으로 안정적인 상태를 유지했습니다. 이는 39,000피트의 바다 한가운데에 있을 때 유용한 속성입니다. 이것이 아직 지구의 연료 문제를 해결하지는 못하지만, CO2-연료 시스템을 경제적으로 경쟁력 있게 만드는 단계입니다.
중국의 합성연료가 글로벌 석유 문제를 해결할 수 있을까?
짧은 대답은 ‘아니요’입니다. 중국의 합성 연료는 적어도 아직은 글로벌 석유 문제를 해결하지 못할 것입니다. 이러한 획기적인 발전은 의심할 여지 없이 인상적이지만 유조선이 하루아침에 쓸모없게 될 것은 아닙니다. 실험실에서 합성 연료를 생성하는 것과 전 세계 수요의 일부라도 충족할 수 있을 만큼 충분히 생성하는 것 사이에는 여전히 (여러 가지 면에서) 상당한 격차가 있습니다. 하지만 그 단계 이전에도 연료는 엄격한 인증과 안전 테스트를 통과해야 합니다. 상업용 항공에 널리 사용하려면 이러한 표준을 준수해야 합니다.
이는 대서양 횡단 비행 중에 조종사가 연료 결함을 알리는 소리를 듣지 못하게 하는 표준입니다. 고려해야 할 에너지 요소도 있습니다. 이 공정에서는 폐CO2와 물을 원료로 사용하지만 이를 제트 연료로 바꾸는 데는 상당한 양의 전기가 사용됩니다. 그 에너지가 화석 연료에서 나온다면 연료의 환경적 이점은 덜 분명해집니다. 적어도 지속 가능성 측면에서 프로세스는 재생 가능 또는 녹색 에너지원을 통해 구동되어야 합니다.
이는 이미 압박을 받고 있는 공급망을 통해 유한한 천연 자원에 대한 글로벌 의존도를 줄이는 역할을 할 수 있는 새로운 기술입니다. 이 기술은 치솟는 제트유 가격 문제를 신속하게 해결할 수는 없지만 지상에서 추출한 연료에 대한 의존도를 깨는 또 다른 단계가 될 수 있습니다.
